BOSCH蓄电池电量传感器的结构与原理概述

2017-12-04湖北杨天峰

汽车维修与保养 2017年8期

◆文/湖北易琨杨天峰

◆文/湖北易琨杨天峰

随着怠速启停功能在汽车上的广泛应用，如何准确、实时、可靠地估算蓄电池的状态，从而有效地提高蓄电池的使用寿命，成了车载启停系统面对的关键技术问题。为了车载启停系统能实时地准确地掌握蓄电池状态，避免怠速启停失败的情况的发生，并使得蓄电池的寿命得到有效提高，需要对蓄电池荷电状态(SOC，State of Charge)、健康状态(SOH，State of Health)、功能状态(SOF，State of Function)、蓄电池的温度模型(Battery Temperature Model)进行监控、预测、估算。

荷电状态(SOC)：是指蓄电池实际存储的电量占额定容量的比例(蓄电池容量按照25℃时的20h放电率)；

健康状态(SOH)：是指考虑到蓄电池老化因素而导致的实际最大电量存储容量与额定容量的比例；

功能状态(SOF)：是一个预测值，它预测了当前蓄电池能提供的最低起动电压。功能状态考虑了蓄电池的老化程度、温度、内阻以及发动机起动所需的电流。功能状态(SOF)对于启停系统而言非常关键，直接关系到了相关控制策略。

温度模型(BTM)：用来计算蓄电池的电解液的温度。

法国标致雪铁龙汽车集团与博世公司(BOSCH)合作开发出了专用的蓄电池电量传感器(EBS，Electronic Battery Sensor)。本文将对博世公司(BOSCH)的蓄电池电量传感器EBS的功能、原理进行介绍和阐述。

一、蓄电池电量传感器的结构及系统原理概述

1.系统组成和结构

EBS运用在怠速启停功能(STT—Stop and Start)的车型上时，由于STT功能对蓄电池的启停次数要求比较高，需要使用加强型富液蓄电池(EFB—Enhanced Flooded Battery)或阀控铅酸蓄电池中的AGM(Absorbed Glass Mat battery)蓄电池，所以EBS的作用就是维持EFB/AGM蓄电池的健康使用状态，从而保证蓄电池的使用寿命。简单来说，EBS主要功能就是实时测量蓄电池的温度、电压、电量，并将监测的信息通过LIN网反馈给主控ECU(又叫BSI，即车载局域网络智能控制器) ，使BSI能够实时掌握蓄电池的状态，从而控制发电机及时给蓄电池补充电，使得蓄电池SOC、SOH状态能够维持在较高的水平。

如图1所示：BOSCH的蓄电池电量传感器一般由极夹、主体、接线片构成。极夹将EBS固定在蓄电池负极极柱上，接线片用于连接EBS和蓄电池负极电缆。蓄电池电量传感器主体结构的内部构成如图2所示。

主体构成包括：上盖、P C B、壳体、胶、分流器电阻(shunt)、针脚。

其中电压传感器测量电路和温度传感器集成在PCB板上，经过特定的电路排布，再通过复杂的逻辑算法运算，计算出蓄电池的工作温度、输出电流和输出电压。

图1 蓄电池电量传感器的构成图

图2 蓄电池电量传感器主体的内部构成图

2.工作原理

图3为蓄电池电量传感器的电气连接原理图。

图3 蓄电池电量传感器的电气连接原理图

EBS的系统内部主要包括—BSD电池状态探测内部逻辑算法电路、系统软件、系统硬件和机械部分，EBS通过线束连接器与LIN网络(A连接孔位)和蓄电池正极供电端(E连接孔位)相连， LIN信号的通过LIN线直接与主控ECU(BSI)(BSI还可以与车库维修测试仪相连)相连，还可以与可扩展的LIN网络通信平台连接(包括调试工具，返修工具、总装下线检测编程工具及测试仪)。

EBS的主要功能是确定蓄电池电流、电压和温度，以及根据这些值计算蓄电池状态。状态计算通过特殊的蓄电池状态检测(BSD，Battery State Detection)算法实现。电池电流、电压和温度以及BSD算法的数据输出通过LIN通信总线输送到主控单元ECU(BSI)。在车上没有蓄电池或者装配了无法使用的蓄电池情况下，进行车辆操作可能对会交流发电机和车辆电气系统的使用寿命和功能产生负面影响。如果从EBS发送的信号中诊断出蓄电池功能不足或蓄电池缺失，这种情况下行驶过程中会向客户发出提示和警告。

注意：EBS没有任何关闭任何客户负载的功能。这种关闭功能由其他控制单元提供。如主控单元ECU(BSI)。

二、测量原理

EBS传感器(安装在电池极柱上)各个参数测量原理符合本章规定，且保证负载持续电流≤150A。

1.电压测量

蓄电池电压信号通过多路开关后，经过一个16位AD采样模数转换器进行数字比较转换和微控制器运算处理后，会将结果输出至LIN网络上(电压和温度的信号测量共用16位AD采样模数转换器和微控制器)。

2.温度测量

温度测量通道：温度传感器器集成在EBS的专用集成集成电路内，电压和温度测量通路共用一个多路转换开关，温度信号测量路径的采样比较电路、运算电路与电压测量通道相同(图4)。温度信号经过一个16位AD采样模数转换器进行数字比较转换和微控制器运算处理后，其结果输出至LIN网络上。

图4 EBS电压和温度测量通道

3.电流测量

图5所示为EBS电流测量通道。

图5 EBS电流测量通道

电阻规定：负极极夹设置点和分流器之间的电阻小于250μ Ω。

测量原理：负载电流经过分流器电阻后产生电压信号，经过EBS内部采样输入电路信号调理后，再经过可编程增益放大器放大，然后输入到16位AD采样模数转换器，经过模数转换后经过数字信号处理芯片(DSP，μc芯片)逻辑算法运算得到负载电流的运算输出值，负载电流的运算输出值最后输出到LIN网络。

4.电量计算

(1)EBS的工作模式

EBS的工作模式有两种：主动模式和中断停止模式，其中主动模式又分为LIN模式和监视模式。

在主动模式下，EBS测量电池的电压值、电流值并且更新BSD数据。在LIN模式下，EBS的BSD的数据的被连续计算，并通过LIN网络与外部交换数据；在监视模式下，EBS持续检查过渡到停止模式的条件是否满足：只要条件不满足，EBS保持激活状态和连续测量电池电压U、电流I、温度T和不断更新的BSD数据。上电复位时EBS自动进入监视模式。(2)荷电状态(SOC)计算

荷电状态(SOC)的计算：

荷电状态(SOC)的定义：SOC=Q_T25_I20(25℃时以I20放电电流容量额定容量)/C_nom(额定容量)。

Q_T25_I20是可以用充电恢复能量,可在25℃室温时以I20放电电流放电到开路电压10.5V时，从蓄电池获得的能量。

C_nom是蓄电池的额定容量。

SOC值的确定取决于所测得的电压、电流、电池温度的准确程度。SOC值在LIN网络模式下连续被计算。在监测模式下，SOC值至少每小时更新一次。

(3)SOC值的快速测定

上电复位后EBS执行一次所谓的快速SOC。快速SOC计算的目的是在上电复位后取得初始的SOC值，策略依据是根据测量电池电压、电池电流和以及已被确定的蓄电池温度和已被标定的蓄电池的电池SOC-OCV(开路电压，Open Circuit Voltage)曲线。如果在快速SOC计算的至少24h之前，蓄电池没有充电和放电，快速SOC测定的误差范围公差小于+/-15%。

准确快速SOC的要求：蓄电池编码的执行；上电复位期间负载电流＜ 20A的；SOC值＞ 30%；④蓄电池温度为室温。

如果快速的SOC计算前，没有已被编码的有效电池类型和BSD数据写入存储器，快速的SOC过程使用默认的电池参数进行计算。

EBS在上电复位后的比较电压第一秒和第十秒的电池电压采样值，如果在第10s电压值测定值高于第1s 20mV以上且该数值小于13.5V，软件将启动一轮新的快速的SOC计算(通过触发一次电池状态探测BSD复位实现)。U_10s＞U_1s 且U_10s＜13.5V-＞ BSD复位，新的一轮快速SOC计算。在BSD的重新初始化期间(大约2s)，EBS将最近的计算快速的SOC值发送到LIN网上。